X射线光电子能谱（XPS）对于确定材料和涂层的表面化学以及结构非常重要。例如，手机显示屏和医疗设备的正常使用都离不开功能性和防护性涂层。减小涂层厚度可以显著降低成本，但是这样做会增加出现诸如孔洞和污染物等问题的风险，从而导致故障。更好地了解涂层的化学性质和厚度将有利于改进设计并做出更好的生产决策。
50年来，总部位于英国的Kratos分析有限公司（Kratos Analytical Ltd）在XPS和新仪器的开发方面一直处于世界领先地位。公司95%的仪器出口海外，涂料和先进材料公司会使用这些仪器研究新产品以及发现可能影响材料性能的缺陷和污染物。Kratos最近开发了一种新的XPS仪器——高能Ag L alpha X射线源，它可以测量的深度是普通XPS的两倍。然而，当前的校准和测量基础设施并不是为这些能量级别的XPS设计的，因此很难对测量值充满信心。
XPS的工作原理是在表面发射X射线，从而激发出电子，然后由探测器进行测量。每一种元素的电子结合能是不同的，所以XPS可以识别材料中存在的元素。电子动能是X射线能量和结合能之间的差，因此X射线能量越高，电子运动越快。传统意义上，XPS的X射线能量约为1500电子伏特，仅可以让材料表面下5~10 纳米处的电子逃逸。Kratos的新型X射线源使X射线能量翻倍，增加了电子逃逸深度。
新仪器可以识别样本中更深层次元素的存在，但不能对它们进行足够、明确的量化。Kratos与NPL进行了接触，探讨如何将新仪器的数据转化为有意义的信息。
·解决方案
NPL使用基本的物理参数和理论模型来预测新仪器中不同能量的电子是如何从材料中发射出来的。将其与已知成分材料样本的实验强度进行比较，以了解仪器的效率。这就产生了一组参考数据，可以精确地校准仪器和每个元素的灵敏度因子，进而实现对任何样本成分的准确测量。这些NPL程序正被纳入Kratos的仪器软件。
·影响
现在Kratos可以证明他们的新仪器能生成关于样本表面每种元素含量的定量数据。这项创新可以使收入增加50万英镑。这为客户提供了一项新功能，可以精确地、更深入地测量化学成分。它还可以与传统的XPS进行直接比较，为用户提供有关每个元素深度的更多信息。
这对于研究包括药物释放系统、智能玻璃和触摸屏在内的先进材料和涂层的表面化学很有价值。它还可以用于分析敏感部件的保护涂层，如风力涡轮机、汽车发动机和储能设备。XPS是质量控制的关键技术，特别是在发现缺陷、识别污染物和专利保护方面。
Kratos的表面分析业务经理Chris Blomfield博士说道：“对我们的先进仪器进行校准是一项复杂的挑战，需要对基础物理和数据有详细的了解。由于NPL拥有世界领先的专业技术，这个项目的成果对我们来说非常利好。我们现在可以收集关于化学成分的真正定量数据，使我们的仪器更有价值，并在新的领域创造销售机会。得益于NPL在该项目上的成果，我们预计此类订单的销售收入每年将增长50万英镑。这是我们与NPL的第一次正式合作，我们期待未来有更多机会共同开发这项技术。”
本文由计量校准机构推出。